塑料瓶空调降温效果实验与分析

杨镇瑜 雷禹东

摘  要：针对在墙壁上镶嵌塑料瓶对室内进行制冷的方法，该文制作了原理性模型，并利用模型进行试验，试验结果表明在出风口风速在2m/s（相当于2级风速）及以下的情况下，装置的降温效果在温度计误差范围内（小于1℃）。基于渐缩喷管理论对该方法进行分析，分析结果与实验结果相符，达到5℃的降温效果需要风速约100m/s（远超12级风速）。可见，该方法在现实生活中无明显实用价值。

关键词：塑料瓶空调  降温效果  实验分析  渐缩喷管

中图分类号：TU83           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）07（c）-0075-03

Experiment and Analysis of Cooling Effect of Plastic Bottles Air-Conditioner

YANG Zhenyu1  LEI Yudong2

（1.Class 2 of Grade 2019 High， International Department of Chengdu No.7 High School， Chengdu， Sichuan Province， 610040 China; 2.Class 8 of Grade 2018 High， Chengdu Jiaxiang Foreign Languages School， Chengdu， Sichuan Province， 610041 China）

Abstract： This paper introduced a cooling model which inserted bottles on walls， then an experiment was conducted to verify this model. The result showed that the cooling effect of the conditioner was within the margin of thermometers error under the circumstance that wind speed of the air outlet was under 2m/s. Based on the theory of convergent nozzle， the analysis corresponded to the experimental result， which showed that it required a wind speed about 100m/s to reach the 5℃ cooling effect. Thus， the method has no obvious practical value.

Key Words： Plastic bottle air-conditioner; Cooling effect; Experimental analysis; Convergent nozzle

1  问题的提出

一则网络视频（称为孟加拉生态制冷）曾经引起了广泛关注，在视频中，仅使用一组塑料瓶装至墙壁上（见图1），达到使室内降低约5℃[1]。所以我们决定设计实验验证其真实性，如果装置可以达到与视频中一样的效果，那则是一种低成本、低能耗的降温方式。

2  实验设置

实验装置：纸箱（长×宽×高：36cm×26cm×27cm），塑料瓶×4，多利科Dretec电子温度计×4，家用电风扇，希玛AT816风速仪，秒表。

实验装置总体布局见图2，风扇位于纸箱前。在纸箱后部正中剪下直径为9cm的圆，作为气流出口。将4个减掉底部的塑料瓶安装在纸箱前部，见图3。在风扇与塑料瓶之间布置温度计T1，并在纸箱侧面插入3个温度计T2、T3、T4，4个温度计测温尖端位于其中一个塑料瓶的轴线上，具体尺寸见图2，实物照片见图4。

3  实验过程与结果

记录0s时各个温度计度数，打开风扇，同时秒表开始计时，每隔30s记录一次温度计示数，共计时300s。打开箱子上盖，用风速仪分别测量入风口与出风口风速并记录。

第一次实验中，风扇处于中档，经测量入风口风速0.2m/s，出风口风速0.4m/s，结果见表1。

第二次实验中，风扇处于高档，经测量入风口风速1.4m/s，出风口风速2.0m/s，结果见表2。

由表表1.表2中数据可得，在风扇两个档位的下，内外部温度无明显差别，温度差在温度计误差范围内（小于1℃）。所以，该装置在实验状态下无明显效果。

4  基于渐缩喷管的降温效果分析

装在墙壁上的塑料瓶相当于一个渐缩喷管[2，3]，如图5所示。空气动力学相关理论[1-2，4]表明，根据喷管出口压力（pb，称为背压）与入口压力p0的比值，和临界压力比βc的对比情况，渐缩喷管的流动可以分为3种情况。

临界压力比βc的定义：

其中k为绝热指数，对于常温常压的空气，取k=1.4，此时临界压比为0.528。

（1）此时处于亚临界流动状态，出口为亚音速，小于当地音速，出口压力。

（2）此时为临界流动状态，出口为音速，出口压力。

（3）此时为超临界流动状态，出口为音速，出口压力。

对于视频中给出的条件，房屋内外压力差比较接近，因此我们只对第一种亚临界流动的情况进行分析。渐缩喷管的出口参数可以由下式计算。

设入口压力为100kPa，入口温度为300K。根据上述公式，对不同的出入口压力比，计算出口温度和速度，如表3所示。

以成都地区为例，夏天平均高温为31℃，极端高温为34℃，而人体体感舒适温度在2℃～26℃之间[5]，因此空调应能实现约5℃的降温。但从表3中可见，如果达到理想的降温效果（约5℃），需要塑料瓶出入口压差达到5kPa以上，此时的塑料瓶的流速达到接近100m/s，而12级的台风速度只有32.7m/s[6]，这在日常生活中几乎是不可能实现的。

5  结语

该塑料瓶制作的装置，由实验可知，在风速1.4m/s以下，温度变化在温度计误差范围内（小于1℃）。由理论推导可知，在风速约100m/s的情况下才可以达到视频中降温效果，这么高的流速在实际上是没有实用价值的。所以视频中的效果无法实现。

参考文献

[1] 席泽文，徐泓，杨铭昭，等.提高喷管降温效果及舒适度的策略[J].山西科技，2018，33（2）：115-118.

[2] John Anderson.Fundamentals of Aerodynamics （Sixth Edition）[M].McGraw-Hill Education，2017.

[3] 张文全.高压射流空化喷嘴的优化设计及剪切空泡形成机理[D].江苏大学，2019.

[4] 庞兆信.渐缩喷管的空气喷速系数关联式及其用途[J].化工设备设计，1997（2）：46-53.

[5] 李振，李佳璇.甲烷燃烧温度随过剩空气系数变化数值模拟[J].煤气与热力，2019，39（1）：46-50.

[6] Yu Xin.主控制室核级空气喷射器性能影响因素研究[J].暖通空调，2019，49（2）：5-7.

[7] 张宇飞，陈海昕，方晓明.基于CFD的涡扇发动机推阻分解方法及应用[J].空气动力学学报，2018，36（3）：114-123.

[8] 李刚，王焕，黄鹏，等.空调扇效果實验测试与理论分析[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2014（6）：1077-1086.